光学素子の製造方法及び光学素子
【課題】生産性の高い高精度な光学素子を得ること。
【解決手段】吐出工程において、光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する。切断工程において、吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する。加熱工程において、溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、切断部分の樹脂に流動性を付与する。プレス工程において、切断部分が加熱された溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスする。
【解決手段】吐出工程において、光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する。切断工程において、吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する。加熱工程において、溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、切断部分の樹脂に流動性を付与する。プレス工程において、切断部分が加熱された溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂からなる光学素子の製造方法及び光学素子に関するものである。特に、非球面光学レンズ等の光学素子のように、成形精度や表面精度と共に複屈折や屈折率分布などの光学特性について高精度に要求される光学素子の製造方法及び光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スチルカメラやビデオカメラ、ＤＶＤドライブやＣＤドライブなどの光学情報機器に対して高性能化や小型化が求められている。そこで一つの方法として、光学系を構成する光学素子に、肉厚の光学素子を使用することで光学性能を高性能化するとともに、光学素子の枚数を削減して小型化することが行われている。
【０００３】
このような光学素子に用いられる材料には、熱可塑性樹脂や熱硬化性などのエネルギー硬化性樹脂があるが、精密な光学素子を作成する場合、成形精度やコストなどの面より、熱可塑性樹脂を用いることが多い。その熱可塑性樹脂の成形には、品質や成形性などの理由から、射出成形方法により行われることが一般的である。通常の射出成形は、射出成形機に金型を取り付け、その金型内に加熱溶融された樹脂を射出し、その樹脂の冷却硬化を待って、金型より取り出し、その空になった金型に、次の溶融樹脂を射出するという繰返し工程を行っている。
【０００４】
しかしながら、このようなプロセスで成形する射出成形では、厚肉のものや高精度が要求されるもの、例えば、光学系におけるプラスチックのレンズ、プリズム、ミラー等は、冷却時間を長くする必要がある。そのため、樹脂が冷却硬化するまでの長い時間、金型が空かず、射出成形機はその間、次の樹脂の射出に用いることができない。このため、射出成形機の使用効率が低く、生産性が上がらないという問題点があった。
【０００５】
そこで、熱可塑性樹脂をプレスするプレス成形法が提案されている（特許文献１参照）。これは、熱可塑性樹脂を溶融、切断して円柱状もしくは最終形状に近い塊状の中間体（ゴブ）を作成した後、この中間体を成形型でプレスするプレス成形法により光学素子を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術では、熱可塑性樹脂をカッター等の切断装置で切断したときに溶融樹脂塊に切断痕が残り、溶融樹脂塊をプレス成形した際に、プレス成形品に突起や陥没等の形状不良が発生することがあった。
【０００８】
そのため、プレス前に成形型を昇温させることにより、成形型に配置された樹脂塊全体に流動性を付与して切断痕を消すとともに、圧縮成形可能な粘度にした後、プレス成形によってプレス成形品を得ることも考えられる。しかし、樹脂容量が大きくなるほど、加熱溶融させる時間が長くなってしまい、光学素子の生産性が低下する。また、樹脂塊の全体に樹脂の流動性を付与することになり、樹脂が成形型から溢れ出てしまうこともあり、高度な形状精度が要求される光学素子の成形ができなくなる。
【０００９】
そこで、本発明は、生産性の高い高精度な光学素子を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する吐出工程と、前記吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する切断工程と、前記溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、前記切断部分の樹脂に流動性を付与する加熱工程と、前記切断部分が加熱された前記溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスするプレス工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶融樹脂塊の切断痕を消す際に溶融樹脂塊の切断部分に局部的に樹脂の流動性を付与するので、樹脂に流動性を付与するのに要する時間を短縮することができ、光学素子の生産性が向上する。また、切断部分に局部的に流動性を付与するので、樹脂の流出を防ぐことができ、高精度な光学素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法に用いる製造システムの概略構成を示す説明図である。（ａ）は吐出装置及び切断装置の概略図、（ｂ）は加熱装置の平面図、（ｃ）は加熱装置及び不活性ガス供給装置の概略図、（ｄ）はプレス機の概略図である。
【図２】製造システムを用いた光学素子の製造方法のフローチャートである。
【図３】吐出工程及び切断工程を説明するための図である。（ａ）は吐出工程を説明するための図、（ｂ）は切断工程を説明するための図、（ｃ）は切断工程で得られる溶融樹脂塊を説明するための図である。
【図４】加熱工程を説明するための図である。（ａ）は加熱工程における加熱装置の平面図であり、（ｂ）は加熱工程における加熱装置の断面図である。（ｃ）は加熱工程で得られる溶融樹脂塊を説明するための図である。
【図５】シクロオレフィンポリマー樹脂において光の波長に対する光の透過率を示すグラフである。
【図６】プレス工程を説明するための図である。（ａ）はプレス前の状態を説明するための図、（ｂ）はプレス中の状態を説明するための図である。（ｃ）はプレスにより得られたレンズを示す図である。
【図７】干渉計によるレンズ表面の形状測定結果（干渉縞）を示す図である。
【図８】加熱工程における比較例を説明するための図であり、（ａ）は加熱工程において光線を溶融樹脂塊に照射している状態を示す図、（ｂ）は溶融樹脂塊が流動した状態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法の加熱工程に用いられる加熱装置の変形例を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は加熱装置の熱源がライン状のヒータである場合を示し、（ｃ）及び（ｄ）は加熱装置の熱源が球状のヒータである場合を示している。（ｅ）及び（ｆ）は加熱装置が熱風送風機である場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法に用いる製造システムの概略構成を示す説明図である。図１（ａ）は吐出装置及び切断装置の概略図、図１（ｂ）は加熱装置の平面図、図１（ｃ）は加熱装置及び不活性ガス供給装置の概略図、図１（ｄ）はプレス機の概略図を示している。製造システムは、吐出装置１００、切断装置２００、加熱装置３００、不活性ガス供給装置４００及びプレス機５００を備えている。
【００１４】
図１（ａ）に示す吐出装置１００は、光学素子の原材料となる熱可塑性樹脂である樹脂固化材料が投入されるホッパー１と、ホッパー１に投入された熱可塑性樹脂を加熱混練して、可塑化する可塑化部としてのスクリュー２と、を備えている。このホッパー１に投入される樹脂固化材料として、例えば数ｍｍ程度の取り扱いやすい大きさのペレットを用いることで、十分に加熱溶融することができる。また、吐出装置１００は、スクリュー２を収容するバレル３を備えている。このバレル３には、上部マニホールド４、下部マニホールド５及びノズル６が接続して設けられている。上部マニホールド４には、スクリュー２から供給される溶融樹脂の流路が形成されている。下部マニホールド５及びノズル６には、溶融樹脂を充填し加圧を行うための計量室７が形成されている。吐出装置１００は、計量室７に摺動可能に配置され、精密な前後移動を可能とし、計量室７に充填された溶融樹脂を押圧するプランジャ８を備えている。このプランジャ８の動作により、計量室７に充填された溶融樹脂は、ノズル６から下方に吐出される。なお、吐出装置１００は、射出成形で用いられるスクリュープリプラ式の可塑化射出装置であるが、インラインスクリュー式の可塑化射出装置であってもよく、また、溶融樹脂の吐出量が一定であれば、いかなる吐出方式のものでもよい。また、ノズル形状や材質、あるいは吐出速度等は目的に応じて決定すればよい。
【００１５】
図１（ａ）に示す切断装置２００は、ノズル６近傍に配置された一対の刃を有するカッター等の切断治具２１と、切断治具２１を駆動する駆動部２２とを備えており、ノズル６から下方に連なる溶融樹脂を切断するものである。この切断装置２００としては、例えばエアーニッパーが用いられる。
【００１６】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示す加熱装置３００は、リング状に形成された熱源としてのハロゲンヒータ３１と、リング状に形成され、ハロゲンヒータ３１の外周を覆うように配置された反射鏡３２とを有する。反射鏡３２は、ハロゲンヒータ３１の半径中心Ｏにハロゲンヒータ３１から放射される赤外線の焦点が合うように形成されている。したがって、半径中心Ｏ及びその近傍に樹脂塊の一部分が配置された場合、その一部分を局所的に加熱することができる。
【００１７】
図１（ｃ）に示す不活性ガス供給装置４００は、ガス供給源４１と、加熱装置３００に配置された溶融樹脂塊の周囲に不活性ガス（例えば窒素ガス、アルゴンガス等）を噴出するノズル４２とを有し、溶融樹脂塊のまわりを不活性ガスの雰囲気に保つものである。
【００１８】
図１（ｄ）に示すプレス機５００におけるプレス成形型５０は、下型５１、上型５２及び胴型５３からなるレンズ成形用金型であり、上型５２及び胴型５３が移動ガイド５４によって案内されて上下動する。下型５１、上型５２及び胴型５３で囲まれて形成されるキャビティ（空間）Ｃには、溶融樹脂塊が設置され、溶融樹脂塊に必要な荷重を加えることができる。
【００１９】
また、製造システムは、光学素子の中間体を受ける受け皿を、吐出装置１００、加熱装置３００及びプレス機５００に順次搬送する搬送装置（不図示）を備えている。本実施形態では、下型５１は、プレス機本体に対して着脱可能となっており、下型５１を受け皿としている。これにより、プレス工程において溶融樹脂塊を受け皿から下型５１に移し替える動作を行う必要がない。なお、下型５１以外の部材を受け皿としてもよいが、その場合には、プレス工程において、下型５１に溶融樹脂塊を移し替える必要がある。
【００２０】
次に、製造システムを用いた光学素子の製造方法について説明する。図２に示すように、本実施形態では、吐出工程（Ｓ１）、切断工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ３）、プレス工程（Ｓ４）を経て光学素子が製造される。以下、各工程について具体的に説明する。なお、本実施形態では、熱可塑性樹脂として、シクロオレフィンポリマー樹脂を使用した場合について説明する。
【００２１】
図３は、吐出工程及び切断工程を説明するための図である。まず、図３（ａ）に示すように、不図示の搬送装置により下型５１をノズル６の下側に移動させ、下型５１に溶融樹脂を吐出装置１００のノズル６より吐出する（吐出工程）。具体的には、吐出装置１００によりシクロオレフィンポリマー樹脂を２５０℃で可塑化させて、下型５１に大気中で吐出する。吐出した溶融樹脂は、下型５１上で吐出した時の慣性力と自重により円錐形状の溶融樹脂塊（ゴブ）Ｒとなる。
【００２２】
下型５１は、溶融樹脂が下型５１に接した時に吐出による樹脂流動痕が残らないようにする必要があるため、高温にする必要がある。本実施形態では、下型５１を２７０℃に加熱保温している。搬送装置のうち、下型５１を把持する部分は、接触により下型５１を急激に冷却しないようにするため、温度制御する必要がある。したがって、搬送装置において下型５１と接する把持部の温度を、８０℃に保温している。
【００２３】
周囲環境が大気の場合、環境温度が溶融樹脂のガラス転移温度Ｔｇよりも低いため、溶融樹脂は大気により冷却されていく。特に溶融樹脂の表面は徐々に固化していき、円錐状の溶融樹脂の形状は大きく変化しない。周囲環境の温度を溶融樹脂のガラス転移温度Ｔｇに近づける、もしくはＴｇ以上にすることにより、溶融樹脂の表面固化を小さくすることができる。
【００２４】
よって、円錐状の溶融樹脂が自重により周囲方向へ広がっていくが、後述するプレス工程で下型５１および溶融樹脂をプレス成形型５０内に配置して圧縮することができる範囲内であれば良い。また、大気中の酸素により樹脂塊の酸化劣化が発生する場合は、溶融樹脂塊の周囲を密閉容器等で囲い、不活性ガス（例えば窒素）雰囲気下にすることで、これを防止することができる。
【００２５】
次に、吐出工程終了後、ノズル６からの溶融樹脂の供給は停止しているが、溶融樹脂の粘度により溶融樹脂がノズル６に連なっている状態である。つまり、通常、図３（ａ）に示すように、溶融樹脂がノズル６より吐出される際には、樹脂の粘度によりノズル６の先端にぶら下がるような形態になる。そのため、駆動部２２により、図３（ｂ）に示すように切断治具２１を動作させて、溶融樹脂をノズル６から切断する。このように、下型５１に吐出した溶融樹脂を切断装置２００で切断分離することで、中間体として、円錐形状の溶融樹脂塊Ｒが得られる（切断工程）。このときの切断治具２１は、鋭利な刃先を有するものや、樹脂を保持してから下方に引き切断するもののうち、適したものを選択すればよい。切断装置２００の切断治具２１は、不図示のヒータにより昇温させたものを用いても良いが、温度を上げ過ぎると切断治具２１に溶融樹脂が貼り付いてしまうため、貼り付きが生じない程度に昇温するのがよい。
【００２６】
以上の切断工程が完了すると、図３（ｃ）に示すように、下型５１上に載置された状態で溶融樹脂塊Ｒが生成される。溶融樹脂塊Ｒは円錐形状であり、その頂点が先細りの突起状となっている。光学素子では、成形品の重量精度は厳密に一定にする必要があることが多く、ノズル６も小径であることが多いため、溶融樹脂塊Ｒの頂点は突起形状になる。その頂点における切断部分ｒａには、切断治具２１によって形成された切断痕が残る。
【００２７】
溶融樹脂塊Ｒは、外気との接触により、その温度が下がりはじめ、粘性が下がり形状自由度が低下する。滴下された直後の状態では、溶融樹脂塊Ｒは切断部分ｒａに切断痕があるため、良好なゴブ、即ち光学素子を作成するためには、形状補正の必要がある。そこで、加熱工程において、この切断部分ｒａを局所的に加熱する。
【００２８】
図４は、加熱工程を説明するための図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、搬送装置により下型５１上の溶融樹脂塊Ｒを加熱装置３００に移動させる。つまり、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの側方にハロゲンヒータ３１が位置するように、具体的には溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａがハロゲンヒータ３１の半径中心Ｏ（図１参照）に位置するように、下型５１を搬送装置により移動させる。この状態でハロゲンヒータ３１に加熱動作させることにより、ハロゲンヒータ３１から放射される光線（具体的には赤外線）Ｌが切断部分ｒａに集光され、切断部分ｒａが局所的に加熱装置３００に対して非接触状態で加熱されることになる。
【００２９】
この時、仮に型を押し当てるなどの接触方式により加熱した場合には、溶融樹脂塊全体が温度低下により十分な流動性が無いため、形状破損や特性不均一の原因となる。そのため、加熱は非接触で行うのがよい。また、溶融樹脂塊Ｒに非接触で溶融樹脂塊Ｒを加熱することにより、加熱装置３００への樹脂の貼り付きを防止することもできる。
【００３０】
溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａは、ハロゲンヒータ３１の赤外線Ｌによって側方より加熱されて、温度上昇するとともに粘度も低下する。これにより切断部分ｒａの樹脂には流動性が付与される。そして、図４（ｃ）に示すように、切断部分ｒａにおける切断痕は樹脂流動によって消すことができる。
【００３１】
この加熱工程では、切断部分ｒａを、熱可塑性樹脂の流動開始温度以上であって、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い温度の温度範囲内となるように加熱するのがよい。言い換えれば、熱可塑性樹脂の流動開始温度である第１の温度（２２８℃）以上、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い第２の温度（流動開始温度＋５０℃：２７８℃）以下の温度範囲内に加熱すればよい。
【００３２】
つまり、切断部分ｒａの樹脂が流動開始温度である第１の温度よりも低いと、ほとんど樹脂の流動がないため、切断痕を消すことはできない。また、切断部分ｒａとなる溶融樹脂塊Ｒの頂点は突起形状であるので、後述するプレス工程での上型５２の押し当てにより、形状の不均一の原因となる。第２の温度を超えると、樹脂が重合などの熱に起因する化学変化（変質）を起こす可能性があり、それにより樹脂の特性が影響を受け、光学素子の形状や特性の不均一の原因となる。つまり、成形に適正な粘度範囲と、変質の無い温度範囲の、両方において適切な条件でプレスすることが良好な成形品を得るためには必要である。
【００３３】
これに対し、本実施形態では、切断部分ｒａの樹脂の温度が、流動開始温度（第１の温度）以上であることで、樹脂が流動し、切断痕を消すことができる。また、突起形状の頂点部分が流動しやすく、後述するプレス工程において形状の不均一を抑制することができる。さらに、切断部分ｒａの樹脂の温度が、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い第２の温度以下とすることで、樹脂が重合などの熱に起因する化学変化を起こす（変質する）のを抑制することができる。
【００３４】
なお本実施形態でいう流動開始温度とは、内径１ｍｍ、長さ１０ｍｍのダイスを取付けた毛細管型レオメーターを用い、１００ｋｇ／ｃｍ２の荷重下において、昇温速度４℃／分で加熱溶融体をノズルから押出すときに溶融粘度が４８０００ポイズを示す温度とする。この測定は、島津製作所製の流動特性評価装置フローテスターＣＦＴ−５００Ｄなどにより測定することができ、測定により樹脂ごとに流動開始温度をあらかじめ決定することができる。
【００３５】
以上の切断痕が消える樹脂温度を測定するため、加熱前後の溶融樹脂塊ＲにΦ０．５ｍｍＫ型シース熱電対を挿入して樹脂温度を測定した際の切断痕の結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
吐出及び切断工程から搬送された溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの樹脂温度は、１８６℃であった。これを加熱して、２５０℃にした時、溶融樹脂の流動が起こり、切断痕を消すことができた。この結果から、剪断速度１（１／ｓ）において樹脂温度２５０℃の樹脂粘度１００００Ｐａ・ｓ以下の低粘度にすることで、樹脂流動により切断痕を消すことができる。また、樹脂温度を２５０℃より低くして１００００Ｐａ・ｓより大きな粘度に溶融樹脂を保つことで、加熱による樹脂流動を防止できる。
【００３８】
以上のハロゲンヒータ３１によるシクロオレフィンポリマー樹脂からなる溶融樹脂塊Ｒの加熱時間は１５秒程度であった。溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの熱が溶融樹脂塊Ｒの内部に熱伝導することにより、溶融樹脂塊Ｒの内部の温度は若干上昇するが、樹脂流動が発生する樹脂粘度よりも大きく、加熱前の形状を保つことができる。
【００３９】
図５は、シクロオレフィンポリマー樹脂において光の波長に対する光の透過率を示すグラフである。シクロオレフィンポリマー樹脂としては、厚さ２ｍｍの日本ゼオン社製ゼオネックスＥ４８Ｒの樹脂板を用いて測定した。シクロオレフィンポリマー樹脂は、図５に示すように、１．５μｍ以上の波長をもつ光線に対して透過率が低下して、吸収する特性を持つ。
【００４０】
本実施形態では、熱源としてハロゲンヒータ３１の場合について説明したが、これに限定するものではなく、１．５μｍ以上の光線を放射するランプ等のヒータを用いてもよい。つまり、熱源は、溶融樹脂塊Ｒを加熱できるものであればよい。例えば、カーボンヒータや、中赤外線ヒータ、遠赤外線ヒータを用いてもよい。これらヒータは、ハロゲンヒータと同様に、シクロオレフィンポリマー樹脂を加熱することができる。
【００４１】
ところで、樹脂は加熱されることで化学反応が促進され変質の可能性が増すが、特に、加熱した際に溶融樹脂塊Ｒの周囲に酸素が十分にある環境では、樹脂成分が酸化により変質する可能性が高い。そのため、本実施形態では、加熱工程において、加熱による温度上昇によって溶融樹脂塊Ｒが酸化劣化することを防止するため、不活性ガス供給装置４００により溶融樹脂塊Ｒに不活性ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）を吹き付けるようにしている。これにより、溶融樹脂塊Ｒのまわりは不活性ガスの雰囲気に保つことができ、溶融樹脂塊Ｒの酸化を防止することができる。
【００４２】
なお、この加熱工程では、溶融樹脂塊Ｒを次のプレス工程で圧縮成形できるように下型５１を保温する必要があるため、下型５１の搬送装置の把持部を８０℃に保った。
【００４３】
次に、プレス工程について説明する。図６は、プレス工程を説明するための図である。まず、図６（ａ）に示すように、下型５１と溶融樹脂塊Ｒを、温度制御された上型５２及び胴型５３の下方に配置する。
【００４４】
次いで、図６（ｂ）に示すように、上型５２及び胴型５３を、移動ガイド５４に沿って下型５１に向けて摺動させて、上型５２に切断部分ｒａを押し当て、上型５２と下型５１とで溶融樹脂塊Ｒを挟み込むことで、溶融樹脂塊Ｒを変形させながらプレスする。このときのプレス力は、例えば１０ＭＰａである。
【００４５】
ところで、溶融樹脂塊Ｒをプレスする際に、押し当てられる型の温度が溶融樹脂塊よりも低いと、溶融樹脂塊Ｒの表面が急速に冷却され、形状や特性の不均一が生じる可能性がある。したがって本実施形態では、上型５２及び胴型５３は、溶融樹脂塊Ｒに与える温度影響を考慮して、第１の温度（例えば２２８℃）と第２の温度（例えば２７８℃）との間の温度範囲に設定している。これにより、溶融樹脂塊Ｒは、型による外力を受けても、十分に自由度を有するため、形状や特性が不均一となるのを防止することができる。
【００４６】
溶融樹脂塊Ｒを上型５２と下型５１とで挟み込んだ状態のまま、温度を徐々に下げて冷却していき、樹脂を冷却固化させていく。このプレス中にプレス成形型５０を冷却することによって、樹脂塊Ｒはレンズ形状に圧縮成形される。ガラス転移温度Ｔｇ以下（例えば１２０℃）になった時点で圧縮を停止して、上型５２及び胴型５３を摺動させて金型を開き、図６（ｃ）に示すように、熱可塑性樹脂からなるレンズ（光学素子）Ｒａが得られる。
【００４７】
図７は、干渉計によるレンズ表面の形状測定結果（干渉縞）を示す図である。本実施形態の製造方法によれば、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、干渉縞が連続的に滑らかな状態となり、良好な光学素子が得られる。これに対し、切断工程後、加熱工程を経ずにプレス工程を行った場合には、図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示すように、干渉縞の途中に不連続部分や滑らかでない部分が生じたため、突起や陥没などの不良形状が確認される。
【００４８】
次に別の比較例について、図８を参照しながら説明する。この比較例では、加熱工程において、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａを局部的に加熱するものではなく、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａも含む溶融樹脂塊Ｒ全体を加熱するものである。この加熱工程では、図８の（ａ）に示す、球状のハロゲンヒータ１３１と、反射鏡１３２により構成した非接触式の加熱装置を使用する。
【００４９】
ハロゲンヒータ１３１の光線Ｌは、反射鏡１３２により集光する。ここに、前の切断工程で作成した下型５１を受け皿とした溶融樹脂塊Ｒを、ハロゲンヒータ１３１の集光した光線Ｌが、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに当たるように挿入する。
【００５０】
ハロゲンヒータ１３１の光線Ｌは、図５に示すように、赤外線の透過率が０％ではないため、溶融樹脂塊Ｒに対して、一部透過しながら溶融樹脂塊Ｒの全体を加熱する。ここでは、本実施形態と同様に、溶融樹脂塊Ｒに対して、ハロゲンヒータ１３１で１５秒加熱を行った。本実施形態と異なり、図８（ｂ）に示すように、溶融樹脂塊Ｒの全体を加熱したため、溶融樹脂塊Ｒ全体で流動が発生し、下型５１に配置した溶融樹脂塊Ｒは、下型５１の側面よりあふれる。したがって、次のプレス工程に下型５１を受け皿とした溶融樹脂塊Ｒを配置して、上型５２および胴型５３を使ってプレス工程を行う際、溶融樹脂塊Ｒが干渉するため、プレスすることができない。
【００５１】
以上、本実施形態によれば、加熱工程で溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに局部的に樹脂の流動性を付与するので、樹脂に流動性を付与するのに要する時間を短縮することができ、光学素子の生産性が向上する。また、切断部分ｒａに局部的に流動性を付与するので、樹脂の流出を防ぐことができ、高精度な光学素子を作製することができる。
【００５２】
［変形例］
図９に、加熱工程で用いられる加熱装置の変形例を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、加熱装置の熱源がライン状のヒータである場合を示し、図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、加熱装置の熱源が球状のヒータである場合を示している。また、図９（ｅ）及び図９（ｆ）は、加熱装置が熱風送風機である場合を示している。
【００５３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ａは、切断部分ｒａの側方に配置した熱源としてのライン状のハロゲンヒータ３１Ａ、ハロゲンヒータ３１Ａから放射される光線Ｌを切断部分ｒａに集光させる反射鏡３２Ａとを有する。また、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ｂは、切断部分ｒａの側方に配置した熱源としての球状のハロゲンヒータ３１Ｂ、ハロゲンヒータ３１Ｂから放射される光線Ｌを切断部分ｒａに集光させる反射鏡３２Ｂとを有する。これらヒータ３１Ａ，３１Ｂからの光線（赤外線）Ｌを切断部分ｒａに照射して、切断部分ｒａを局部的に加熱することで、切断部分ｒａのみ樹脂流動させて切断痕を消すことができる。
【００５４】
また、図９（ｅ）及び図９（ｆ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ｃは、切断部分ｒａに側方から熱風を吹き付ける熱風送風機である。この熱風送風機３００Ｃによる熱風Ｗを溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに向けて送風し、溶融樹脂塊Ｒに温度分布をつけながら加熱する。このとき、熱風Ｗは溶融樹脂塊Ｒにぶつかり流れが変わるため、側面下方より溶融樹脂塊Ｒに向けて送風することで、熱風Ｗが切断部分ｒａ以外にほとんど当たらないように熱風Ｗの流れを制御して、溶融樹脂塊Ｒの温度分布を大きくすることができる。また、熱風Ｗは、溶融樹脂塊Ｒの酸化劣化を防止するために、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いる必要がある。
【００５５】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【００５６】
上記実施形態では、光学素子がレンズの場合について説明したが、これに限定するものではなく、本発明は、プリズムやミラー等、あらゆる光学素子の製造に適用することが可能である。また、上記実施形態では、プレス工程で最終品である光学素子が得られる場合について説明したが、プレス工程で形成されるものが光学素子の中間体であってもよい。例えば、この中間体を更にプレス成形する場合や、表面を研磨加工したり膜を形成したりするなどして、光学素子が製造される場合についても本発明は適用可能である。もしくは、射出成型用のプリフォームとして使用してもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、熱可塑性樹脂がシクロオレフィンポリマー樹脂である場合について説明したが、これに限定するものではなく、熱可塑性樹脂が、例えばＰＣ（ポリカーボネート）樹脂やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂などの材料でもよい。また、その他の樹脂でも熱可塑性樹脂であり、光学素子として使用可能なものであれば、いかなる熱可塑性樹脂であっても本発明は適用可能である。
【実施例】
【００５８】
［実施例１］
シクロオレフィンポリマー樹脂（日本ゼオン社製ゼオネックスＥ４８Ｒ）を用いて、上記実施形態で説明したプレス工程により、ゴブ成形を行う。あらかじめこのシクロオレフィンポリマー樹脂の流動開始温度を測定したところ、２２８℃であった。図１に示すような、ノズル６の下に下型５１で吐出材料を受ける構成からなる装置により吐出を行う。ノズル６より、２５０℃で加熱溶融させた該樹脂を吐出する。吐出された樹脂は、切断治具２１によりノズル６から切断され、下型５１上に滴下される。
【００５９】
この下型周辺の雰囲気は、図１（ｃ）に示すような不活性ガス供給装置４００から噴出される窒素により、窒素雰囲気に保たれている。滴下された樹脂塊Ｒは、ノズル６から吐出された時点から温度低下が始まっている為、流動性の減少が進行している。そのため、下型５１上に滴下された樹脂は、切断治具２１による切断工程で発生した切り口が残ったままであり、上部に切断痕を有する。言い換えれば樹脂塊Ｒの頂点に角を有する形状となっている。
【００６０】
この樹脂塊Ｒに対し、樹脂塊Ｒの上部よりハロゲンヒータ３１により加熱を行い、樹脂温度を上昇させる。ハロゲンヒータ３１はリング状で、切断痕に対し、均等に加熱を行う。樹脂塊Ｒが流動開始温度を超えた２３０℃になった時に、上型５２を樹脂上部より押しあて、樹脂塊Ｒを両型５１，５２により挟み込む。上型５２と下型５１で樹脂塊Ｒを挟み込んだ状態で、型５０を徐々に冷却していく。型５０が常温まで冷却された後、型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６１】
［実施例２］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２７４℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６２】
［実施例３］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２２０℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が低すぎ、切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６３】
［実施例４］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８１℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６４】
［実施例５］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８６℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６５】
［実施例６］
熱可塑性樹脂をＰＣ樹脂（帝人化成社製ＡＤ−５５０３）にしたこと以外は実施例１と同様の方法でプレスする時の温度が２３５℃で成形を実施した。本樹脂の流動開始温度をあらかじめ測定したところ、２２０℃であった。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６６】
［実施例７］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８５℃である以外は、実施例６と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【符号の説明】
【００６７】
５０…プレス成形型、５１…下型、１００…吐出装置、２００…切断装置、３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ…加熱装置、４００…不活性ガス供給装置、５００…プレス機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂からなる光学素子の製造方法及び光学素子に関するものである。特に、非球面光学レンズ等の光学素子のように、成形精度や表面精度と共に複屈折や屈折率分布などの光学特性について高精度に要求される光学素子の製造方法及び光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スチルカメラやビデオカメラ、ＤＶＤドライブやＣＤドライブなどの光学情報機器に対して高性能化や小型化が求められている。そこで一つの方法として、光学系を構成する光学素子に、肉厚の光学素子を使用することで光学性能を高性能化するとともに、光学素子の枚数を削減して小型化することが行われている。
【０００３】
このような光学素子に用いられる材料には、熱可塑性樹脂や熱硬化性などのエネルギー硬化性樹脂があるが、精密な光学素子を作成する場合、成形精度やコストなどの面より、熱可塑性樹脂を用いることが多い。その熱可塑性樹脂の成形には、品質や成形性などの理由から、射出成形方法により行われることが一般的である。通常の射出成形は、射出成形機に金型を取り付け、その金型内に加熱溶融された樹脂を射出し、その樹脂の冷却硬化を待って、金型より取り出し、その空になった金型に、次の溶融樹脂を射出するという繰返し工程を行っている。
【０００４】
しかしながら、このようなプロセスで成形する射出成形では、厚肉のものや高精度が要求されるもの、例えば、光学系におけるプラスチックのレンズ、プリズム、ミラー等は、冷却時間を長くする必要がある。そのため、樹脂が冷却硬化するまでの長い時間、金型が空かず、射出成形機はその間、次の樹脂の射出に用いることができない。このため、射出成形機の使用効率が低く、生産性が上がらないという問題点があった。
【０００５】
そこで、熱可塑性樹脂をプレスするプレス成形法が提案されている（特許文献１参照）。これは、熱可塑性樹脂を溶融、切断して円柱状もしくは最終形状に近い塊状の中間体（ゴブ）を作成した後、この中間体を成形型でプレスするプレス成形法により光学素子を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術では、熱可塑性樹脂をカッター等の切断装置で切断したときに溶融樹脂塊に切断痕が残り、溶融樹脂塊をプレス成形した際に、プレス成形品に突起や陥没等の形状不良が発生することがあった。
【０００８】
そのため、プレス前に成形型を昇温させることにより、成形型に配置された樹脂塊全体に流動性を付与して切断痕を消すとともに、圧縮成形可能な粘度にした後、プレス成形によってプレス成形品を得ることも考えられる。しかし、樹脂容量が大きくなるほど、加熱溶融させる時間が長くなってしまい、光学素子の生産性が低下する。また、樹脂塊の全体に樹脂の流動性を付与することになり、樹脂が成形型から溢れ出てしまうこともあり、高度な形状精度が要求される光学素子の成形ができなくなる。
【０００９】
そこで、本発明は、生産性の高い高精度な光学素子を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する吐出工程と、前記吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する切断工程と、前記溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、前記切断部分の樹脂に流動性を付与する加熱工程と、前記切断部分が加熱された前記溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスするプレス工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶融樹脂塊の切断痕を消す際に溶融樹脂塊の切断部分に局部的に樹脂の流動性を付与するので、樹脂に流動性を付与するのに要する時間を短縮することができ、光学素子の生産性が向上する。また、切断部分に局部的に流動性を付与するので、樹脂の流出を防ぐことができ、高精度な光学素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法に用いる製造システムの概略構成を示す説明図である。（ａ）は吐出装置及び切断装置の概略図、（ｂ）は加熱装置の平面図、（ｃ）は加熱装置及び不活性ガス供給装置の概略図、（ｄ）はプレス機の概略図である。
【図２】製造システムを用いた光学素子の製造方法のフローチャートである。
【図３】吐出工程及び切断工程を説明するための図である。（ａ）は吐出工程を説明するための図、（ｂ）は切断工程を説明するための図、（ｃ）は切断工程で得られる溶融樹脂塊を説明するための図である。
【図４】加熱工程を説明するための図である。（ａ）は加熱工程における加熱装置の平面図であり、（ｂ）は加熱工程における加熱装置の断面図である。（ｃ）は加熱工程で得られる溶融樹脂塊を説明するための図である。
【図５】シクロオレフィンポリマー樹脂において光の波長に対する光の透過率を示すグラフである。
【図６】プレス工程を説明するための図である。（ａ）はプレス前の状態を説明するための図、（ｂ）はプレス中の状態を説明するための図である。（ｃ）はプレスにより得られたレンズを示す図である。
【図７】干渉計によるレンズ表面の形状測定結果（干渉縞）を示す図である。
【図８】加熱工程における比較例を説明するための図であり、（ａ）は加熱工程において光線を溶融樹脂塊に照射している状態を示す図、（ｂ）は溶融樹脂塊が流動した状態を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法の加熱工程に用いられる加熱装置の変形例を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は加熱装置の熱源がライン状のヒータである場合を示し、（ｃ）及び（ｄ）は加熱装置の熱源が球状のヒータである場合を示している。（ｅ）及び（ｆ）は加熱装置が熱風送風機である場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法に用いる製造システムの概略構成を示す説明図である。図１（ａ）は吐出装置及び切断装置の概略図、図１（ｂ）は加熱装置の平面図、図１（ｃ）は加熱装置及び不活性ガス供給装置の概略図、図１（ｄ）はプレス機の概略図を示している。製造システムは、吐出装置１００、切断装置２００、加熱装置３００、不活性ガス供給装置４００及びプレス機５００を備えている。
【００１４】
図１（ａ）に示す吐出装置１００は、光学素子の原材料となる熱可塑性樹脂である樹脂固化材料が投入されるホッパー１と、ホッパー１に投入された熱可塑性樹脂を加熱混練して、可塑化する可塑化部としてのスクリュー２と、を備えている。このホッパー１に投入される樹脂固化材料として、例えば数ｍｍ程度の取り扱いやすい大きさのペレットを用いることで、十分に加熱溶融することができる。また、吐出装置１００は、スクリュー２を収容するバレル３を備えている。このバレル３には、上部マニホールド４、下部マニホールド５及びノズル６が接続して設けられている。上部マニホールド４には、スクリュー２から供給される溶融樹脂の流路が形成されている。下部マニホールド５及びノズル６には、溶融樹脂を充填し加圧を行うための計量室７が形成されている。吐出装置１００は、計量室７に摺動可能に配置され、精密な前後移動を可能とし、計量室７に充填された溶融樹脂を押圧するプランジャ８を備えている。このプランジャ８の動作により、計量室７に充填された溶融樹脂は、ノズル６から下方に吐出される。なお、吐出装置１００は、射出成形で用いられるスクリュープリプラ式の可塑化射出装置であるが、インラインスクリュー式の可塑化射出装置であってもよく、また、溶融樹脂の吐出量が一定であれば、いかなる吐出方式のものでもよい。また、ノズル形状や材質、あるいは吐出速度等は目的に応じて決定すればよい。
【００１５】
図１（ａ）に示す切断装置２００は、ノズル６近傍に配置された一対の刃を有するカッター等の切断治具２１と、切断治具２１を駆動する駆動部２２とを備えており、ノズル６から下方に連なる溶融樹脂を切断するものである。この切断装置２００としては、例えばエアーニッパーが用いられる。
【００１６】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示す加熱装置３００は、リング状に形成された熱源としてのハロゲンヒータ３１と、リング状に形成され、ハロゲンヒータ３１の外周を覆うように配置された反射鏡３２とを有する。反射鏡３２は、ハロゲンヒータ３１の半径中心Ｏにハロゲンヒータ３１から放射される赤外線の焦点が合うように形成されている。したがって、半径中心Ｏ及びその近傍に樹脂塊の一部分が配置された場合、その一部分を局所的に加熱することができる。
【００１７】
図１（ｃ）に示す不活性ガス供給装置４００は、ガス供給源４１と、加熱装置３００に配置された溶融樹脂塊の周囲に不活性ガス（例えば窒素ガス、アルゴンガス等）を噴出するノズル４２とを有し、溶融樹脂塊のまわりを不活性ガスの雰囲気に保つものである。
【００１８】
図１（ｄ）に示すプレス機５００におけるプレス成形型５０は、下型５１、上型５２及び胴型５３からなるレンズ成形用金型であり、上型５２及び胴型５３が移動ガイド５４によって案内されて上下動する。下型５１、上型５２及び胴型５３で囲まれて形成されるキャビティ（空間）Ｃには、溶融樹脂塊が設置され、溶融樹脂塊に必要な荷重を加えることができる。
【００１９】
また、製造システムは、光学素子の中間体を受ける受け皿を、吐出装置１００、加熱装置３００及びプレス機５００に順次搬送する搬送装置（不図示）を備えている。本実施形態では、下型５１は、プレス機本体に対して着脱可能となっており、下型５１を受け皿としている。これにより、プレス工程において溶融樹脂塊を受け皿から下型５１に移し替える動作を行う必要がない。なお、下型５１以外の部材を受け皿としてもよいが、その場合には、プレス工程において、下型５１に溶融樹脂塊を移し替える必要がある。
【００２０】
次に、製造システムを用いた光学素子の製造方法について説明する。図２に示すように、本実施形態では、吐出工程（Ｓ１）、切断工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ３）、プレス工程（Ｓ４）を経て光学素子が製造される。以下、各工程について具体的に説明する。なお、本実施形態では、熱可塑性樹脂として、シクロオレフィンポリマー樹脂を使用した場合について説明する。
【００２１】
図３は、吐出工程及び切断工程を説明するための図である。まず、図３（ａ）に示すように、不図示の搬送装置により下型５１をノズル６の下側に移動させ、下型５１に溶融樹脂を吐出装置１００のノズル６より吐出する（吐出工程）。具体的には、吐出装置１００によりシクロオレフィンポリマー樹脂を２５０℃で可塑化させて、下型５１に大気中で吐出する。吐出した溶融樹脂は、下型５１上で吐出した時の慣性力と自重により円錐形状の溶融樹脂塊（ゴブ）Ｒとなる。
【００２２】
下型５１は、溶融樹脂が下型５１に接した時に吐出による樹脂流動痕が残らないようにする必要があるため、高温にする必要がある。本実施形態では、下型５１を２７０℃に加熱保温している。搬送装置のうち、下型５１を把持する部分は、接触により下型５１を急激に冷却しないようにするため、温度制御する必要がある。したがって、搬送装置において下型５１と接する把持部の温度を、８０℃に保温している。
【００２３】
周囲環境が大気の場合、環境温度が溶融樹脂のガラス転移温度Ｔｇよりも低いため、溶融樹脂は大気により冷却されていく。特に溶融樹脂の表面は徐々に固化していき、円錐状の溶融樹脂の形状は大きく変化しない。周囲環境の温度を溶融樹脂のガラス転移温度Ｔｇに近づける、もしくはＴｇ以上にすることにより、溶融樹脂の表面固化を小さくすることができる。
【００２４】
よって、円錐状の溶融樹脂が自重により周囲方向へ広がっていくが、後述するプレス工程で下型５１および溶融樹脂をプレス成形型５０内に配置して圧縮することができる範囲内であれば良い。また、大気中の酸素により樹脂塊の酸化劣化が発生する場合は、溶融樹脂塊の周囲を密閉容器等で囲い、不活性ガス（例えば窒素）雰囲気下にすることで、これを防止することができる。
【００２５】
次に、吐出工程終了後、ノズル６からの溶融樹脂の供給は停止しているが、溶融樹脂の粘度により溶融樹脂がノズル６に連なっている状態である。つまり、通常、図３（ａ）に示すように、溶融樹脂がノズル６より吐出される際には、樹脂の粘度によりノズル６の先端にぶら下がるような形態になる。そのため、駆動部２２により、図３（ｂ）に示すように切断治具２１を動作させて、溶融樹脂をノズル６から切断する。このように、下型５１に吐出した溶融樹脂を切断装置２００で切断分離することで、中間体として、円錐形状の溶融樹脂塊Ｒが得られる（切断工程）。このときの切断治具２１は、鋭利な刃先を有するものや、樹脂を保持してから下方に引き切断するもののうち、適したものを選択すればよい。切断装置２００の切断治具２１は、不図示のヒータにより昇温させたものを用いても良いが、温度を上げ過ぎると切断治具２１に溶融樹脂が貼り付いてしまうため、貼り付きが生じない程度に昇温するのがよい。
【００２６】
以上の切断工程が完了すると、図３（ｃ）に示すように、下型５１上に載置された状態で溶融樹脂塊Ｒが生成される。溶融樹脂塊Ｒは円錐形状であり、その頂点が先細りの突起状となっている。光学素子では、成形品の重量精度は厳密に一定にする必要があることが多く、ノズル６も小径であることが多いため、溶融樹脂塊Ｒの頂点は突起形状になる。その頂点における切断部分ｒａには、切断治具２１によって形成された切断痕が残る。
【００２７】
溶融樹脂塊Ｒは、外気との接触により、その温度が下がりはじめ、粘性が下がり形状自由度が低下する。滴下された直後の状態では、溶融樹脂塊Ｒは切断部分ｒａに切断痕があるため、良好なゴブ、即ち光学素子を作成するためには、形状補正の必要がある。そこで、加熱工程において、この切断部分ｒａを局所的に加熱する。
【００２８】
図４は、加熱工程を説明するための図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、搬送装置により下型５１上の溶融樹脂塊Ｒを加熱装置３００に移動させる。つまり、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの側方にハロゲンヒータ３１が位置するように、具体的には溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａがハロゲンヒータ３１の半径中心Ｏ（図１参照）に位置するように、下型５１を搬送装置により移動させる。この状態でハロゲンヒータ３１に加熱動作させることにより、ハロゲンヒータ３１から放射される光線（具体的には赤外線）Ｌが切断部分ｒａに集光され、切断部分ｒａが局所的に加熱装置３００に対して非接触状態で加熱されることになる。
【００２９】
この時、仮に型を押し当てるなどの接触方式により加熱した場合には、溶融樹脂塊全体が温度低下により十分な流動性が無いため、形状破損や特性不均一の原因となる。そのため、加熱は非接触で行うのがよい。また、溶融樹脂塊Ｒに非接触で溶融樹脂塊Ｒを加熱することにより、加熱装置３００への樹脂の貼り付きを防止することもできる。
【００３０】
溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａは、ハロゲンヒータ３１の赤外線Ｌによって側方より加熱されて、温度上昇するとともに粘度も低下する。これにより切断部分ｒａの樹脂には流動性が付与される。そして、図４（ｃ）に示すように、切断部分ｒａにおける切断痕は樹脂流動によって消すことができる。
【００３１】
この加熱工程では、切断部分ｒａを、熱可塑性樹脂の流動開始温度以上であって、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い温度の温度範囲内となるように加熱するのがよい。言い換えれば、熱可塑性樹脂の流動開始温度である第１の温度（２２８℃）以上、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い第２の温度（流動開始温度＋５０℃：２７８℃）以下の温度範囲内に加熱すればよい。
【００３２】
つまり、切断部分ｒａの樹脂が流動開始温度である第１の温度よりも低いと、ほとんど樹脂の流動がないため、切断痕を消すことはできない。また、切断部分ｒａとなる溶融樹脂塊Ｒの頂点は突起形状であるので、後述するプレス工程での上型５２の押し当てにより、形状の不均一の原因となる。第２の温度を超えると、樹脂が重合などの熱に起因する化学変化（変質）を起こす可能性があり、それにより樹脂の特性が影響を受け、光学素子の形状や特性の不均一の原因となる。つまり、成形に適正な粘度範囲と、変質の無い温度範囲の、両方において適切な条件でプレスすることが良好な成形品を得るためには必要である。
【００３３】
これに対し、本実施形態では、切断部分ｒａの樹脂の温度が、流動開始温度（第１の温度）以上であることで、樹脂が流動し、切断痕を消すことができる。また、突起形状の頂点部分が流動しやすく、後述するプレス工程において形状の不均一を抑制することができる。さらに、切断部分ｒａの樹脂の温度が、熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い第２の温度以下とすることで、樹脂が重合などの熱に起因する化学変化を起こす（変質する）のを抑制することができる。
【００３４】
なお本実施形態でいう流動開始温度とは、内径１ｍｍ、長さ１０ｍｍのダイスを取付けた毛細管型レオメーターを用い、１００ｋｇ／ｃｍ２の荷重下において、昇温速度４℃／分で加熱溶融体をノズルから押出すときに溶融粘度が４８０００ポイズを示す温度とする。この測定は、島津製作所製の流動特性評価装置フローテスターＣＦＴ−５００Ｄなどにより測定することができ、測定により樹脂ごとに流動開始温度をあらかじめ決定することができる。
【００３５】
以上の切断痕が消える樹脂温度を測定するため、加熱前後の溶融樹脂塊ＲにΦ０．５ｍｍＫ型シース熱電対を挿入して樹脂温度を測定した際の切断痕の結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
吐出及び切断工程から搬送された溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの樹脂温度は、１８６℃であった。これを加熱して、２５０℃にした時、溶融樹脂の流動が起こり、切断痕を消すことができた。この結果から、剪断速度１（１／ｓ）において樹脂温度２５０℃の樹脂粘度１００００Ｐａ・ｓ以下の低粘度にすることで、樹脂流動により切断痕を消すことができる。また、樹脂温度を２５０℃より低くして１００００Ｐａ・ｓより大きな粘度に溶融樹脂を保つことで、加熱による樹脂流動を防止できる。
【００３８】
以上のハロゲンヒータ３１によるシクロオレフィンポリマー樹脂からなる溶融樹脂塊Ｒの加熱時間は１５秒程度であった。溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａの熱が溶融樹脂塊Ｒの内部に熱伝導することにより、溶融樹脂塊Ｒの内部の温度は若干上昇するが、樹脂流動が発生する樹脂粘度よりも大きく、加熱前の形状を保つことができる。
【００３９】
図５は、シクロオレフィンポリマー樹脂において光の波長に対する光の透過率を示すグラフである。シクロオレフィンポリマー樹脂としては、厚さ２ｍｍの日本ゼオン社製ゼオネックスＥ４８Ｒの樹脂板を用いて測定した。シクロオレフィンポリマー樹脂は、図５に示すように、１．５μｍ以上の波長をもつ光線に対して透過率が低下して、吸収する特性を持つ。
【００４０】
本実施形態では、熱源としてハロゲンヒータ３１の場合について説明したが、これに限定するものではなく、１．５μｍ以上の光線を放射するランプ等のヒータを用いてもよい。つまり、熱源は、溶融樹脂塊Ｒを加熱できるものであればよい。例えば、カーボンヒータや、中赤外線ヒータ、遠赤外線ヒータを用いてもよい。これらヒータは、ハロゲンヒータと同様に、シクロオレフィンポリマー樹脂を加熱することができる。
【００４１】
ところで、樹脂は加熱されることで化学反応が促進され変質の可能性が増すが、特に、加熱した際に溶融樹脂塊Ｒの周囲に酸素が十分にある環境では、樹脂成分が酸化により変質する可能性が高い。そのため、本実施形態では、加熱工程において、加熱による温度上昇によって溶融樹脂塊Ｒが酸化劣化することを防止するため、不活性ガス供給装置４００により溶融樹脂塊Ｒに不活性ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）を吹き付けるようにしている。これにより、溶融樹脂塊Ｒのまわりは不活性ガスの雰囲気に保つことができ、溶融樹脂塊Ｒの酸化を防止することができる。
【００４２】
なお、この加熱工程では、溶融樹脂塊Ｒを次のプレス工程で圧縮成形できるように下型５１を保温する必要があるため、下型５１の搬送装置の把持部を８０℃に保った。
【００４３】
次に、プレス工程について説明する。図６は、プレス工程を説明するための図である。まず、図６（ａ）に示すように、下型５１と溶融樹脂塊Ｒを、温度制御された上型５２及び胴型５３の下方に配置する。
【００４４】
次いで、図６（ｂ）に示すように、上型５２及び胴型５３を、移動ガイド５４に沿って下型５１に向けて摺動させて、上型５２に切断部分ｒａを押し当て、上型５２と下型５１とで溶融樹脂塊Ｒを挟み込むことで、溶融樹脂塊Ｒを変形させながらプレスする。このときのプレス力は、例えば１０ＭＰａである。
【００４５】
ところで、溶融樹脂塊Ｒをプレスする際に、押し当てられる型の温度が溶融樹脂塊よりも低いと、溶融樹脂塊Ｒの表面が急速に冷却され、形状や特性の不均一が生じる可能性がある。したがって本実施形態では、上型５２及び胴型５３は、溶融樹脂塊Ｒに与える温度影響を考慮して、第１の温度（例えば２２８℃）と第２の温度（例えば２７８℃）との間の温度範囲に設定している。これにより、溶融樹脂塊Ｒは、型による外力を受けても、十分に自由度を有するため、形状や特性が不均一となるのを防止することができる。
【００４６】
溶融樹脂塊Ｒを上型５２と下型５１とで挟み込んだ状態のまま、温度を徐々に下げて冷却していき、樹脂を冷却固化させていく。このプレス中にプレス成形型５０を冷却することによって、樹脂塊Ｒはレンズ形状に圧縮成形される。ガラス転移温度Ｔｇ以下（例えば１２０℃）になった時点で圧縮を停止して、上型５２及び胴型５３を摺動させて金型を開き、図６（ｃ）に示すように、熱可塑性樹脂からなるレンズ（光学素子）Ｒａが得られる。
【００４７】
図７は、干渉計によるレンズ表面の形状測定結果（干渉縞）を示す図である。本実施形態の製造方法によれば、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、干渉縞が連続的に滑らかな状態となり、良好な光学素子が得られる。これに対し、切断工程後、加熱工程を経ずにプレス工程を行った場合には、図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示すように、干渉縞の途中に不連続部分や滑らかでない部分が生じたため、突起や陥没などの不良形状が確認される。
【００４８】
次に別の比較例について、図８を参照しながら説明する。この比較例では、加熱工程において、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａを局部的に加熱するものではなく、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａも含む溶融樹脂塊Ｒ全体を加熱するものである。この加熱工程では、図８の（ａ）に示す、球状のハロゲンヒータ１３１と、反射鏡１３２により構成した非接触式の加熱装置を使用する。
【００４９】
ハロゲンヒータ１３１の光線Ｌは、反射鏡１３２により集光する。ここに、前の切断工程で作成した下型５１を受け皿とした溶融樹脂塊Ｒを、ハロゲンヒータ１３１の集光した光線Ｌが、溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに当たるように挿入する。
【００５０】
ハロゲンヒータ１３１の光線Ｌは、図５に示すように、赤外線の透過率が０％ではないため、溶融樹脂塊Ｒに対して、一部透過しながら溶融樹脂塊Ｒの全体を加熱する。ここでは、本実施形態と同様に、溶融樹脂塊Ｒに対して、ハロゲンヒータ１３１で１５秒加熱を行った。本実施形態と異なり、図８（ｂ）に示すように、溶融樹脂塊Ｒの全体を加熱したため、溶融樹脂塊Ｒ全体で流動が発生し、下型５１に配置した溶融樹脂塊Ｒは、下型５１の側面よりあふれる。したがって、次のプレス工程に下型５１を受け皿とした溶融樹脂塊Ｒを配置して、上型５２および胴型５３を使ってプレス工程を行う際、溶融樹脂塊Ｒが干渉するため、プレスすることができない。
【００５１】
以上、本実施形態によれば、加熱工程で溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに局部的に樹脂の流動性を付与するので、樹脂に流動性を付与するのに要する時間を短縮することができ、光学素子の生産性が向上する。また、切断部分ｒａに局部的に流動性を付与するので、樹脂の流出を防ぐことができ、高精度な光学素子を作製することができる。
【００５２】
［変形例］
図９に、加熱工程で用いられる加熱装置の変形例を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、加熱装置の熱源がライン状のヒータである場合を示し、図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、加熱装置の熱源が球状のヒータである場合を示している。また、図９（ｅ）及び図９（ｆ）は、加熱装置が熱風送風機である場合を示している。
【００５３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ａは、切断部分ｒａの側方に配置した熱源としてのライン状のハロゲンヒータ３１Ａ、ハロゲンヒータ３１Ａから放射される光線Ｌを切断部分ｒａに集光させる反射鏡３２Ａとを有する。また、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ｂは、切断部分ｒａの側方に配置した熱源としての球状のハロゲンヒータ３１Ｂ、ハロゲンヒータ３１Ｂから放射される光線Ｌを切断部分ｒａに集光させる反射鏡３２Ｂとを有する。これらヒータ３１Ａ，３１Ｂからの光線（赤外線）Ｌを切断部分ｒａに照射して、切断部分ｒａを局部的に加熱することで、切断部分ｒａのみ樹脂流動させて切断痕を消すことができる。
【００５４】
また、図９（ｅ）及び図９（ｆ）に示すように、非接触式の加熱装置３００Ｃは、切断部分ｒａに側方から熱風を吹き付ける熱風送風機である。この熱風送風機３００Ｃによる熱風Ｗを溶融樹脂塊Ｒの切断部分ｒａに向けて送風し、溶融樹脂塊Ｒに温度分布をつけながら加熱する。このとき、熱風Ｗは溶融樹脂塊Ｒにぶつかり流れが変わるため、側面下方より溶融樹脂塊Ｒに向けて送風することで、熱風Ｗが切断部分ｒａ以外にほとんど当たらないように熱風Ｗの流れを制御して、溶融樹脂塊Ｒの温度分布を大きくすることができる。また、熱風Ｗは、溶融樹脂塊Ｒの酸化劣化を防止するために、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いる必要がある。
【００５５】
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【００５６】
上記実施形態では、光学素子がレンズの場合について説明したが、これに限定するものではなく、本発明は、プリズムやミラー等、あらゆる光学素子の製造に適用することが可能である。また、上記実施形態では、プレス工程で最終品である光学素子が得られる場合について説明したが、プレス工程で形成されるものが光学素子の中間体であってもよい。例えば、この中間体を更にプレス成形する場合や、表面を研磨加工したり膜を形成したりするなどして、光学素子が製造される場合についても本発明は適用可能である。もしくは、射出成型用のプリフォームとして使用してもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、熱可塑性樹脂がシクロオレフィンポリマー樹脂である場合について説明したが、これに限定するものではなく、熱可塑性樹脂が、例えばＰＣ（ポリカーボネート）樹脂やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂などの材料でもよい。また、その他の樹脂でも熱可塑性樹脂であり、光学素子として使用可能なものであれば、いかなる熱可塑性樹脂であっても本発明は適用可能である。
【実施例】
【００５８】
［実施例１］
シクロオレフィンポリマー樹脂（日本ゼオン社製ゼオネックスＥ４８Ｒ）を用いて、上記実施形態で説明したプレス工程により、ゴブ成形を行う。あらかじめこのシクロオレフィンポリマー樹脂の流動開始温度を測定したところ、２２８℃であった。図１に示すような、ノズル６の下に下型５１で吐出材料を受ける構成からなる装置により吐出を行う。ノズル６より、２５０℃で加熱溶融させた該樹脂を吐出する。吐出された樹脂は、切断治具２１によりノズル６から切断され、下型５１上に滴下される。
【００５９】
この下型周辺の雰囲気は、図１（ｃ）に示すような不活性ガス供給装置４００から噴出される窒素により、窒素雰囲気に保たれている。滴下された樹脂塊Ｒは、ノズル６から吐出された時点から温度低下が始まっている為、流動性の減少が進行している。そのため、下型５１上に滴下された樹脂は、切断治具２１による切断工程で発生した切り口が残ったままであり、上部に切断痕を有する。言い換えれば樹脂塊Ｒの頂点に角を有する形状となっている。
【００６０】
この樹脂塊Ｒに対し、樹脂塊Ｒの上部よりハロゲンヒータ３１により加熱を行い、樹脂温度を上昇させる。ハロゲンヒータ３１はリング状で、切断痕に対し、均等に加熱を行う。樹脂塊Ｒが流動開始温度を超えた２３０℃になった時に、上型５２を樹脂上部より押しあて、樹脂塊Ｒを両型５１，５２により挟み込む。上型５２と下型５１で樹脂塊Ｒを挟み込んだ状態で、型５０を徐々に冷却していく。型５０が常温まで冷却された後、型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６１】
［実施例２］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２７４℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６２】
［実施例３］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２２０℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が低すぎ、切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６３】
［実施例４］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８１℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６４】
［実施例５］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８６℃である以外は、実施例１と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【００６５】
［実施例６］
熱可塑性樹脂をＰＣ樹脂（帝人化成社製ＡＤ−５５０３）にしたこと以外は実施例１と同様の方法でプレスする時の温度が２３５℃で成形を実施した。本樹脂の流動開始温度をあらかじめ測定したところ、２２０℃であった。成形終了後型５０より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったような、干渉縞の乱れは見られず、切断痕が成形品に影響を及ぼしていないことが確認された。
【００６６】
［実施例７］
上型５２で樹脂をプレスする時の樹脂温度が２８５℃である以外は、実施例６と同様の方法により、成形を行う。成形終了後型より樹脂を取り出し、できた成形品を干渉計で干渉縞を観察した。その結果、成形品には切断痕が形状異常につながったことが原因と考えられる干渉縞の乱れが見られた。この結果、本条件では樹脂温度が高すぎ、変質により切断痕が成形品に影響を及ぼしていると思われる。
【符号の説明】
【００６７】
５０…プレス成形型、５１…下型、１００…吐出装置、２００…切断装置、３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ…加熱装置、４００…不活性ガス供給装置、５００…プレス機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する吐出工程と、
前記吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する切断工程と、
前記溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、前記切断部分の樹脂に流動性を付与する加熱工程と、
前記切断部分が加熱された前記溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスするプレス工程と、を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程では、前記切断部分を、前記熱可塑性樹脂の流動開始温度以上、前記熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い温度範囲内となるように加熱することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記プレス工程では、前記溶融樹脂塊をプレスする際の前記プレス成形型の温度を、前記温度範囲内に設定して、プレス中に前記プレス成形型を冷却することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記加熱工程では、前記切断部分の側方に配置した熱源と、前記熱源から放射される光線を前記切断部分に集光させる反射鏡とを有する加熱装置を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程では、前記切断部分に側方から熱風を吹き付ける熱風送風機を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程では、前記溶融樹脂塊のまわりを不活性ガスの雰囲気に保つことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法により製造されたことを特徴とする光学素子。
【請求項１】
光学素子の材料である熱可塑性樹脂を加熱溶融して吐出装置により吐出する吐出工程と、
前記吐出装置により吐出された溶融樹脂を切断装置により切断分離して溶融樹脂塊を生成する切断工程と、
前記溶融樹脂塊の切断部分を局部的に非接触状態で加熱して、前記切断部分の樹脂に流動性を付与する加熱工程と、
前記切断部分が加熱された前記溶融樹脂塊をプレス成形型によりプレスするプレス工程と、を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記加熱工程では、前記切断部分を、前記熱可塑性樹脂の流動開始温度以上、前記熱可塑性樹脂が変質する温度よりも低い温度範囲内となるように加熱することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記プレス工程では、前記溶融樹脂塊をプレスする際の前記プレス成形型の温度を、前記温度範囲内に設定して、プレス中に前記プレス成形型を冷却することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記加熱工程では、前記切断部分の側方に配置した熱源と、前記熱源から放射される光線を前記切断部分に集光させる反射鏡とを有する加熱装置を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程では、前記切断部分に側方から熱風を吹き付ける熱風送風機を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程では、前記溶融樹脂塊のまわりを不活性ガスの雰囲気に保つことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法により製造されたことを特徴とする光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３５１５１（Ｐ２０１３−３５１５１Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１０８５（Ｐ２０１１−１７１０８５）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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